Doppeltwirkende Dichtungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine doppeltwirkende Dichtungsanordnung mit einem Paar Primärdichtungen. Sie betrifft insbesondere eine sperrgas-gepufferte Dichtungsanordnung zum Einsatz bei feststoffbeladenen flüssigen Medien, bei der wenigstens eine der Primärdichtungen als gasgeschmierte Gleitringdichtung ausgebildet ist.
Bei gattungsgemässen Dichtungsanordnungen (z.B. BURGMANN, Gasgeschmierte Gleitringdichtungen, Selbstverlag 1997, Seite 10) wird zwischen den zusammenwirkenden Gleitringen der Gleitring-Primärdichtung bei Betrieb ein Dichtspalt gebildet, wobei die Dichtspaltbildung durch förderwirksame Strukturen oder Ausnehmungen in einer oder beiden Dichtflächen der Gleitringe, die das Sperrgas zwischen die Dichtflächen pumpen können, gefördert werden kann. Das Sperrgas steht unter einem höheren Druck als der Druck des abzudichtenden Mediums, so dass eine Leckage aus dem Dichtspalt stets aus Sperrgas besteht. Einer der zusammenwirkenden Gleitringe ist axial beweglich und mit einer Vorspannkraft beaufschlagt. Da diese der Dichtspaltbildung grundsätzlich entgegenwirkt, ist sie so zu bemessen, dass die Kräfte bei Betrieb nicht überschritten werden, die die Bildung des Dichtspaltes bewirken. Die Abdichtung des mit der Vorspannkraft beaufschlagten, axial beweglichen Gleitringes gegenüber dem benachbarten Bauteil, z.B. dem Gehäuse einer Gerätschaft, erfolgt andererseits über ein Sekundärdichtungselement, z.B. einen O- Ring, der die Bewegung des betreffenden Gleitringes ermöglichen muss, ohne diese zu behindern. Für die Funktion der Gleitringdichtung ist es deshalb wichtig, dass eine
uneingeschränkte leichte Beweglichkeit des Gleitringes gewährleistet ist und diese nicht durch das abzudichtende Medium, wenn dieses einen Zutritt zum Sekundärdichtungselement hat, im Laufe der Betriebszeit beeinträchtigt wird. Insbesondere können sich Ablagerungen von Feststoffen, die in dem abzudichtenden Medium enthalten sind, an den Flächen bilden, mit denen das Sekundärdichtungselement in dichtendem Eingriff steht. Solche Ablagerungen können die Beweglichkeit des Gleitringes deutlich beeinträchtigen oder ggf. sogar gänzlich verhindern. Verschiedene Massnahmen wurden schon vorgeschlagen, um das abzudichtende Medium aus dem Bereich der funktionswichtigen Teile einer Gleitringdichtung fernzuhalten. Eine derartige Massnahme ist die permanente Spülung der Gleitringdichtung mittels eines sauberen Fremdmediums, wie es z.B. in BURGMANN ABC der Gleitringdichtung 1988, Selbstverlag, Seite 228 beschrieben ist. Gemeinsam ist den bekannten Massnahmen, dass damit ein relativ grosser baulicher Aufwand verbunden ist, der die Dichtungsanordnungen entsprechend verteuert und daher nur bei Anwendungsfällen gerechtfertigt ist, bei denen die Verteuerung von untergeordneter Bedeutung ist. Ausserdem sind die bekannten Massnahmen mit einem erhöhten Wartungsaufwand verbunden.
Der Er indung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, bei der die Beweglichkeit des betreffenden Gleitringes, mit dem das Sekundärdichtungselement zusammenwirkt, bei einer Vielzahl von abzudichtenden Medien einschliesslich solcher, die mit Feststoffen beladen sind, gewährleistet ist und dennoch die Dichtungsanordnung einen unkomplizierten, wartungsgünstigen Aufbau aufweisen soll.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäss ist eine Leckage des Sperrdruckgases an einem freien Entweichen in das abzudichtende Medium gehindert, so dass die Leckage ein Gaspolster bilden kann, welches die Bereiche, die für die Beweglichkeit des Gleitringes der Gleitringdichtung massgebend sind, gegenüber dem abzudichtenden Medium
abzuschirmen vermag. Zu diesem Zweck ist ein axialer Bereich der Gleitringdichtung, der den Dichtspalt, der durch die zusammenwirkenden Gleitringe gebildet ist, und das Sekundärdichtungselement umfasst, von einem hülsenförmigen Abschirmelement mit radialem Abstand aussenumfanglich umgeben, so dass ein Spaltraum gebildet ist, in den die Leckage aus dem Dichtspalt einströmen kann, um das Gaspolster zu bilden. Die Erfindung ermöglicht mit diesen Mitteln, bei relativ geringem baulichen Aufwand die für die Funktion der Dichtungsanordnung wichtige Beweglichkeit des Gleitringes bzw. Sekundärdichtungselementes aufrechtzuerhalten, da das Sekundärdichtungselement bei Betrieb praktisch nicht in Berührung mit dem abzudichtenden Medium kommt und sich daher keine die Beweglichkeit beeinträchtigende Ablagerungen von fester Materie im abzudichtenden Medium an den kritischen Bereichen der Gleitringdichtung einstellen können. Ein weiterer Vorteil aus dieser Massnahme ist, dass sich die erfindungsgemässe Dichtungsanordnung durch einen verringerten Wartungsaufwand auszeichnet. Diese Wirkungen können ferner dadurch verstärkt werden, dass die Spaltweite des Spaltraumes in geeigneter Weise mimimiert wird, um ein Einströmen des abzudichtenden Mediums in den Spaltraum und damit an Stellen, die für die axiale Beweglichkeit bedeutsam sind, zu verhindern. Dazu kann gemäss einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Spaltraum wenigstens nahe seinem zum abzudichtenden Medium offenen Ende einen axialen Drosselabschnitt mit verringerter Spaltweite hat. Ferner sind vorzugsweise zur Verbesserung der Dichtspaltbildung beim Betrieb der Dichtungsanordnung förderwirksame Strukturen oder Ausnehmungen in wenigstens einer der Dichtflächen der zusammenwirkenden Gleitringe vorgesehen, die bewirken, dass das Sperrdruckgas zwischen die Dichtflächen und in Richtung auf den Spaltraum gepumpt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung und einer Ausführungsform näher erläutert, die in längsgeschnittener Ansicht eine vom abzudichtenden Medium aussen beaufschlagte doppeltwirkende Dichtungsanordnung gemäss der Erfindung zeigt.
Obschon ein Hauptanwendungsgebiet der Erfindung die Abdichtung von mit Feststoffen beladenen Flüssigkeiten ist, ist die Erfindung auf dieses Anwendungsgebiet nicht beschränkt, sondern sie kann vorteilhaft immer dann angewandt werden, wenn es gilt die Beweglichkeit eines beweglichen Gleitringes gegenüber einem Sekundärdichtungselement während des Betriebes aufrechtzuerhalten, obschon das abzudichtende Medium (Produkt) Eigenschaften haben kann, die die Beweglichkeit beeinträchtigen können.
In der Zeichnung betrifft das Bezugszeichen 1 das Gehäuse einer Gerätschaft, z.B. einer Pumpe oder eines Rührwerkes, mit einer Durchtrittsbohrung für eine Welle 3, die mittels der erfindungsgemässen Dichtungsanordnung gegenüber der Bohrung abgedichtet ist. Das Bezugszeichen 2 betrifft eine Montagebrille zur Befestigung der Dichtungsanordnung am Gehäuse 1.
Die Dichtungsanordnung umfasst ein Paar axial beabstandete Primärdichtungen 4, 5, die einen in geeigneter Weise gegenüber der Umgebung abgedichteten Sperrgasraum 6 axial begrenzen, in den über eine Zuführbohrung 7 ein geeignetes Sperrdruckgas, insbesondere ein in Bezug auf das Produkt inertes Gas, wie Stickstoff, eingeführt werden kann. Das Sperrdruckgas wird im Sperrgasraum 6 unter einem Druck gehalten, der um ein geeignetes Ausmass, z.B. 10 % höher als der Produktdruck sein sollte.
Obschon beide Primärdichtungen 4, 5 bei der vorliegenden Ausführungsform als Gleitringdichtungen ausgebildet sind, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Wenn erwünscht, könnte eine der Primärdichtungen, nämlich die Primärdichtung 5, die den Sperrgasraum 6 gegenüber der Aussenumgebung abdichtet, auch in anderer Weise, z.B. als Labyrinth- oder Stopfbüchsendichtung, ausgebildet sein.
Im Folgenden wird auf die dem Produkt in einem Produktbereich 11 der Gerätschaft zugewandte Primärdichtung 4 näher Bezug genommen, die als Gleitringdichtung ausgebildet ist. Die Gleitringdichtung 4 umfasst ein Paar zusammenwirkende Gleitringe
8, 9, deren einander zugewandten Dichtflächen zwischen sich bei Betrieb einen Dichtspalt 10 definieren, um den Sperrgasraum 6 gegenüber dem Produktraum 11 abzudichten. Das Sperrdruckgas steht innenumfänglich des Dichtspaltes 10 an, während der Dichtspalt aussenumfanglich mit dem Produktraum 11 in Verbindung steht.
Der Gleitring 8 ist in bekannter Weise auf einer auf der Welle 3 aufgesetzten Buchse 16 zur gemeinsamen Drehung damit bzw. der Welle 3 montiert. Der Gleitring 8 ist ferner mittels in Nuten gehaltener Sekundärdichtungselemente (nicht näher bezeichnet) gegenüber der Buchse 16 abgedichtet. Dadurch wird ein Mediumaustausch zwischen dem Sperrgasraum 6 und dem Produktraum 11 längs des rotierenden Gleitringes 8 verhindert.
Der Gleitring 9 ist drehfest, jedoch axial beweglich an der Montagebrille 2 gehalten, so dass er in Richtung auf und weg vom rotierenden Gleitring 8 eine begrenzte Axialbewegung vornehmen kann. Eine Vorspanneinrichtung 13, z.B. in Gestalt ein oder mehrerer umfänglich verteilt angeordneter Vorspannfedern, die sich mit einem axialen Ende an der Montagebrille 2 und mit ihren anderen axialen Enden am Gleitring 9 abstützen, ist vorgesehen, um den Gleitring 9 mit einer axialen Vorspannkraft zu beaufschlagen, so dass die zusammenwirkenden Dichtflächen der Gleitringe 8, 9 in einer dichtenden Beziehung miteinander während solcher Betriebszeiten, z.B. bei Stillstand der Welle 3, gehalten werden, bei denen kein oder kein ausreichender Dichtspalt 10 zwischen den Gleitringen 8, 9 gebildet ist.
Zur Abdichtung des drehfesten Gleitringes 9 gegenüber der Montagebrille 2 ist ein Sekundärdichtungselement 12 vorgesehen, das vorzugsweise in Gestalt eines O- Ringes ausgebildet ist. An der Montagebrille 2 und dem drehfesten Gleitring 9 sind axial beabstandete Anschlagschultern vorgesehen, mit denen das
Sekundärdichtungselement 12 bei einer axialen Bewegung des drehfesten Gleitringes 9 in die eine oder andere axiale Richtung in Anlage kommen kann, wobei der axiale
Abstand der Anschlagschultern von der jeweiligen relativen axialen Stellung des drehfesten Gleitringes 9 in Bezug auf die Montagebrille 2 abhängt.
Das Sekundärdichtungselement könnte auch in einer Nut in entweder dem drehfesten, axialbeweglichen Gleitring oder der Montagebrille aufgenommen sein und mit einer gegenüberliegenden Fläche des jeweiligen anderen Teils in dichtender Beziehung stehen, wobei zwischen der betreffenden Fläche und dem Sekundärdichtungselement eine Relativbewegung erfolgen kann.
Das Sekundärdichtungselement 12 steht an seinen inneren und äusseren Umfangen mit benachbarten Umfangsbereichen des drehfesten Gleitringes 9 und der Montagebrille 2 in dichtender Beziehung. Vorzugsweise steht von der Montagebrille 2 ein axialer Flanschbereich 15 über eine Wegstrecke axial ab, die etwas grosser als die Wegstrecke ist, innerhalb der sich das Sekundärdichtungselement 12 bewegen kann. Der Flanschbereich 15 überdeckt einen zwischen den Anschlagschultern definierten Raum 14, in dem das Sekundärdichtungselement 12 aufgenommen ist und schafft eine innere Umfangsfläche, längs der das Sekundärdichtungselement 12 bei seiner axialen Bewegung in dichtender Anlage bleibt.
Erfindungsgemäss ist ein Abschirmelement oder eine Abschirmhülse 18 vorgesehen, die einen axialen Bereich der Gleitringdichtung 4 aussenumfanglich mit radialem Abstand umgibt und zur gemeinsamen Drehung mit der Welle 3 bzw. der Buchse 16 montiert ist. Die Abschirmhülse 18 kann zu diesem Zweck einen radialen Montagebereich 19 aufweisen, der entweder unmittelbar in geeigneter Weise mit der Welle 3 drehfest verbunden oder mit der Buchse 16, wie bei 20 angedeutet ist, verschraubt sein kann. Die Abschirmhülse 18 übergreift den rotierenden Gleitring 8 so, dass durch die Abschirmhülse 18 eine vorzugsweise selbstausrichtende Montage des Gleitringes 8 in Bezug auf die Buchse 16 nicht beeinträchtigt wird.
Die Abschirmhülse 18 überspannt einen axialen Abschnitt der Gleitringdichtung 4, der wenigstens den Dichtspalt 10, einen Bereich des drehfesten Gleitringes 9 und den Flanschbereich 15 einschliesst. Zwischen diesen Bereichen ist ein Spaltraum 21 gebildet, der an einem axialen Ende, wie dies bei 22 angedeutet ist, geschlossen und an seinem anderen axialen Ende 23 gegenüber dem Produktraum 11 offen ist.
Würde, das abzudichtende Produkt in den Spaltraum 21 und damit in den Bereich des beweglichen Sekundärdichtungselementes 12 eindringen, könnte das Produkt den vom Sekundärdichtungselement 12 eingenommenen Raum 21 ausfüllen, was die axiale Beweglichkeit des Sekundärdichtungselementes 12 beeinträchtigen würde. Auch könnten sich an den Umfangsflächenbereichen des Gleitringes 9 und der Montagebrille 2, mit denen das Sekundärdichtungselement 12 in dichtendem Eingriff steht, Ablagerungen aus Feststoffen absetzen, die in dem abzudichtenden Produkt enthalten sein können. Solche Ablagerungen würden die axiale Beweglichkeit des Sekundärdichtungselementes 12 und damit des damit zusammenwirkenden Gleitringes 9 ebenfalls beeinträchtigen oder ggf. sogar ganz verhindern.
Um eine derartige Folge aus einer Kontaktnahme zwischen dem Sekundärdichtungselement 12 und dem Produkt zu vermeiden, ist der Spaltraum 21 in seinen radialen und axialen Abmessungen so bemessen, dass eine Leckage an Sperrdruckgas aus dem Dichtungspalt 10 im Spaltraum 21 aufgefangen und darin wenigstens vorübergehend zurückgehalten wird, so dass das Sperrdruckgas nicht ungehindert in den Produktbereich 11 strömen kann, wie es der Fall sein würde, wenn die Abschirmhülse 18 nicht vorgesehen wäre. Infolge des sich im Spaltraum 21 ansammelnden Sperrdruckgases wird die Umgebung des axial beweglichen Sekundärdichtungselementes 12 gegenüber dem Produktraum 11 quasi abgedichtet und dadurch ein ungehinderter Zutritt des Produktes zum Sekundärdichtungselement 12 wirksam verhindert.
Der Spaltraum 21 hat wenigstens nahe seinem in den Produktraum 11 ausmündenden axialen Ende 22 eine verringerte Spaltweite, die einen Drosseleffekt ausübt und ein ungehindertes Eindringen des Produktes in den Spaltraum 21 verhindert. Die in den Spaltraum 21 eingeführte Leckage an Sperrdruckgas kann deshalb darin ein stabiles oder sich durch nachströmende Leckage an Sperrdruckgas ständig auffüllendes abdichtendes Gaspolster bilden. Es wurde festgestellt, dass die gewünschte Drosselwirkung erreicht wird, wenn die Spaltweite zwischen etwa 0,5 und 1 ,5 mm, vorzugsweise etwa 1 ,0 mm, beträgt. Anstelle einer derartigen Spaltweite mit Drosseleffekt oder zusätzlich dazu könnte nahe dem offenen axialen Ende 23 des Spaltraumes 21 auch ein labyrinthartiger Strömungsweg für das Sperrdruckgas vorgesehen sein.
Obschon bei der vorgenannten Ausführungsform der Erfindung die Abschirmhülse 18 zur gemeinsamen Drehung mit der Welle 3 vorgesehen ist, könnte die Abschirmhülse 18 auch stationär in geeigneter Weise an der Montagebrille 2 montiert sein. Ferner könnte anstelle des drehfesten Gleitringes 9 auch der rotierende Gleitring 8 axial beweglich auf der Buchse 16 angeordnet und mit einer Federvorspannkraft beaufschlagt sein, während der Gleitring 9 axial unbeweglich gehalten sein könnte. Bei dieser Modifikation würde das axial bewegliche Sekundärdichtungselement 12 zwischen dem rotierenden Gleitring 8 und der Buchse 16 vorzusehen sein.
Zur Förderung der Dichtspaltbildung beim Betrieb der Dichtungsanordnung wird bevorzugt, dass förderwirksame Strukturen oder Ausnehmungen in wenigstens einer der Dichtflächen der zusammenwirkenden Gleitringe vorgesehen sind. Dadurch wird das Sperrdruckgas zwischen die Dichtflächen und in Richtung auf den Spaltraum 21 gepumpt. Derartige förderwirksame Strukturen oder Ausnehmungen sind dem Fachmann bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden. Es kann z.B. auf BURGMANN, Gasgeschmierte Gleitringdichtungen, a.a.O., Seite 16 verwiesen werden.